歐陽佳鵬 劉億民 李 文

（1.湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199；2.皚云半導(dǎo)體有限公司，上海 200120）

國家教育戰(zhàn)略“新工科”建設(shè)，形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等系列共識，發(fā)布并立項了新工科研究與實踐項目，新工科建設(shè)從轟轟烈烈走向扎扎實實[1-3]。湖南科技學(xué)院70 多年來，始終堅持社會主義辦學(xué)方向，學(xué)校扎根地方立足優(yōu)勢文科，大力發(fā)展結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特色工科專業(yè)和專業(yè)集群，積極探索和培養(yǎng)滿足時代需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，走深化改革的內(nèi)涵式發(fā)展之路。根據(jù)“新工科”對人才的培養(yǎng)目標(biāo)及OBE的教學(xué)理念，圍繞工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力要求，創(chuàng)新教學(xué)及實踐方式以強化學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)要求，提高學(xué)生分析和解決問題的能力成為當(dāng)務(wù)之急[4-6]。目前，湖南科技學(xué)院通過不斷完善實踐教學(xué)體系，不斷加大實踐教學(xué)學(xué)時比例，不斷提升課外科創(chuàng)競賽等手段來提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。然而，地方新建本科院校受實驗及實踐設(shè)備資源等制約，實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果受到傳統(tǒng)實驗方式及管理模式等所需的人、財、物及時空的極大限制[7]。因此，亟需結(jié)合自身實際創(chuàng)新實踐教學(xué)方式， 沖破制約應(yīng)用型人才培養(yǎng)的瓶頸。

針對以上問題，結(jié)合教學(xué)團隊及科創(chuàng)工作室多年的實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，開發(fā)了一套能讓學(xué)生擁有的電子技術(shù)口袋儀器，方便學(xué)生隨時隨地的開展實踐學(xué)習(xí)活動[8-10]。該儀器平臺能應(yīng)用于電子技術(shù)系列課程的理論與實踐教學(xué)之中，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，滿足了學(xué)習(xí)隨需的個性化學(xué)習(xí)需要，極大地提高了學(xué)習(xí)效率，促進了實踐教學(xué)效果。且經(jīng)過集成批量制作后成本較低，研究開發(fā)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 硬件電路總體方案設(shè)計

電子技術(shù)口袋儀器設(shè)計開發(fā)目標(biāo)：

（1）教學(xué)目標(biāo)：一方面能促進理論與實踐的交叉融合。創(chuàng)新教學(xué)方式便于開展互動式教學(xué)，使理論與實踐相輔相成。另一方面能激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性和效率。拓展學(xué)生實踐的時空，使得學(xué)生可以隨需開展實踐活動。再一方面注重將課內(nèi)與課外、知識、能力與素質(zhì)相互貫通，進而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[11-13]。

（2）功能目標(biāo)：具有基本實驗及數(shù)據(jù)測量與顯示功能，且可進行實驗項目二次開發(fā)。

（3）成本目標(biāo)：便于集成，系統(tǒng)性價比高。開發(fā)普通學(xué)生能夠擁有的口袋儀器?；谝陨夏康目诖鼉x器平臺硬件電路總體設(shè)計原理框圖如圖1 所示。

圖1 口袋儀器平臺硬件電路總體設(shè)計原理框圖

硬件電路總體設(shè)計包括三部分：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。用于采集外部實驗面包板或開發(fā)電路的信號，對其進行濾波、放大及ADC轉(zhuǎn)換。

（2）CPLD 核心處理模塊。用于將ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理和存儲。

（3）USB 通信及接口模塊。用于外部電路與采集電路接口，CPLD 與手機進行通信及其接口。

2 硬件電路模塊設(shè)計

2.1 EPM240T100C5 處理器模塊

EPM240T100C5 處理器為閃存CPLD，具有192個宏單元數(shù)，80 條輸入/輸出線，5.9 ns 的傳播延遲時間，2.7 ns的整體時鐘設(shè)定時間，工作頻率為201.1 MHz，電源電壓范圍為2.375 V～2.625 V，3 V～3.6 V，工作溫度范圍為0 ℃～85 ℃。封裝類型為TQFP，輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn)為LVTTL，LVCMOS，PCI。由于設(shè)計的示波器的帶寬1 Hz～20 MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，實時采樣且考慮避免產(chǎn)生混疊，則系統(tǒng)采樣頻率約為100 MHz在CPLD工作頻率范圍之內(nèi)。CPLD 處理器的詳細電路原理圖如圖2 所示。

圖2 CPLD 處理器電路

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該口袋儀器平臺是通過前端電路將外電路信號采集后經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再輸入EPM240T100C5 處理器對數(shù)字信號進行運算和存儲等處理，最后通過USB 接口電路傳輸?shù)紸ndroid 手機，通過手機APP 對數(shù)據(jù)進行處理并顯示波形，可以用來代替基礎(chǔ)實驗及創(chuàng)新實踐的測量儀器設(shè)備。數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計如下：

（1）前端模擬部分硬件電路

前端模擬部分硬件電路包括從模擬信號接口開始到ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，主要負責(zé)對外電路信號進行前端預(yù)處理，即利用運算放大電路進行被測信號調(diào)理、信號放大、信號濾波及衰減等，對接后續(xù) ADC 電路。采用的運算放大器是OPA2889，其內(nèi)部架構(gòu)提供了壓擺率和全功率帶寬。采用雙±5 V 電源，可提供±4 V 輸出擺幅，驅(qū)動電流超過40 mA，帶寬為60 MHz。460 μA 的低電源電流OPA2889 在+25 ℃時精確調(diào)整，禁用引腳保持打開狀態(tài)或保持高電平，正常運行OPA2889可以進一步降低系統(tǒng)功耗。如果拉低輸出進入高阻態(tài)，OPA2889 電源電流降至20 μA 以下。采用MAX4522 作為模擬開關(guān)，由CPLD 對模擬開關(guān)進行控制，從而實現(xiàn)對OPA2889 放大倍數(shù)的控制，以滿足系統(tǒng)不同垂直靈敏度的倍數(shù)需求。

（2）ADC 轉(zhuǎn)換電路

采用的AD 芯片是ADC08100，ADC08100 是一個低功耗的8 位單片模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，帶有芯片上的跟蹤保持電路。其成本低、功耗低、體積小且易于使用，轉(zhuǎn)換率為20 MSPS 到100 MSPS，動態(tài)性能好，非常適合做數(shù)字示波器。詳細電路原理圖如圖3 前端模擬及ADC 轉(zhuǎn)換電路所示。

圖3 前端模擬及ADC 轉(zhuǎn)換電路

2.3 通信接口模塊

USB 接口具有傳輸速率高，體積小，可向外供電等特點，系統(tǒng)通過USB 芯片CY7C68013A 及接口電路把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid 手機，通信及接口電路的原理圖如圖4 所示。

圖4 USB 通信及接口電路原理圖

2.4 器件選型及總體電路原理圖

該口袋儀器硬件電路的主要器件及參數(shù)詳見表1 所示。

表1 器件參數(shù)及選型

系統(tǒng)硬件電路總體電路原理圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件電路總體原理圖

3 硬件電路制作及測試

硬件電路制作實物照片如圖6 所示。

圖6 硬件電路實物圖

硬件板測試步驟如下：

電路連接。通過USB 線把手機與硬件電路板連接正常（電路板的LED 綠燈亮），并將硬件電路板的示波器接口與標(biāo)準(zhǔn)示波器函數(shù)信號發(fā)生器相連接，打開示波器選擇正弦波輸出。

APP 設(shè)置。打開手機端OscPrimeAPP，設(shè)置好連接方式。

開始測試。點擊測試，通過設(shè)置時間軸、電壓軸大小，將波形調(diào)整合理尺度顯示。其測試效果圖如圖7 所示。

圖7 硬件電路板測試效果圖

與標(biāo)準(zhǔn)示波器輸出波形對比后結(jié)果表明硬件電路板工作正常，符合開發(fā)設(shè)計方案的功能目標(biāo)要求。整套硬件電路成本不超過100 元，滿足絕大多數(shù)學(xué)生擁有的成本目標(biāo)。團隊專任教師課堂講解中，可將例題實驗效果通過手機進行展示，加強了理論與實踐的深入互動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。且突破了人財物等方面的限制，應(yīng)用于開放實驗項目、課程設(shè)計、課外科技創(chuàng)新競賽等效果良好。課程團隊于2016－2018 年對三屆電子類畢業(yè)生進行了問卷調(diào)查，針對口袋儀器實驗室在理論教學(xué)、實踐教學(xué)及科創(chuàng)競賽中的應(yīng)用效果，學(xué)生匿名評價的好評結(jié)果連續(xù)三年達100%。且近三年團隊在校級以上各類電子設(shè)計競賽、機器人競賽等獲獎10 余項。

4 結(jié) 語

本文通過提出口袋儀器平臺總體硬件電路設(shè)計方案，并以CPLD 芯片作為控制核心，完成了硬件電路設(shè)計，并且制作測試了硬件電路，結(jié)果完全滿足設(shè)計初衷。口袋儀器平臺作為地方高校各實踐環(huán)節(jié)育人方式的創(chuàng)新與變革，其開發(fā)技術(shù)水平的提升、功能可擴展程度及推廣普及應(yīng)用是衡量地方高校實踐育人資源與效益矛盾的重要方式之一，本設(shè)計提供了一條可行的解決方案，供同類院校參考借鑒。